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A covariate-constraint method to map brain feature space into lower dimensional manifolds

Authors :
Félix Renard
Maleka Schenck
Marine Bouthillon
Francis Schneider
Stéphane Kremer
Christian Heinrich
Sophie Achard
Achard, Sophie
Modèles statistiques bayésiens et des valeurs extrêmes pour données structurées et de grande dimension (STATIFY)
Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)
Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICube)
École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg (INSA Strasbourg)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Les Hôpitaux Universitaires de Strasbourg (HUS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)
Service de Médecine Intensive et Réanimation [Strasbourg]
CHU Strasbourg
Biomatériaux et Bioingénierie (BB)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg (INSA Strasbourg)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)-Réseau nanophotonique et optique
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Source :
Network Neuroscience, Network Neuroscience, 2021, 5 (1), pp.252-273. ⟨10.1162/netn_a_00176⟩, Network Neuroscience, MIT Press, 2021, 5 (1), pp.252-273. ⟨10.1162/netn_a_00176⟩, Network Neuroscience, Vol 5, Iss 1, Pp 252-273 (2021)
Publication Year :
2021
Publisher :
MIT Press - Journals, 2021.

Abstract

Human brain connectome studies aim to both explore healthy brains, and extract and analyze relevant features associated with pathologies of interest. Usually this consists of modeling the brain connectome as a graph and using graph metrics as features. A fine brain description requires graph metrics computation at the node level. Given the relatively reduced number of patients in standard cohorts, such data analysis problems fall in the high-dimension, low-sample-size framework. In this context, our goal is to provide a machine learning technique that exhibits flexibility, gives the investigator an understanding of the features and covariates, allows visualization and exploration, and yields insight into the data and the biological phenomena at stake. The retained approach is dimension reduction in a manifold learning methodology; the originality is that the investigator chooses one (or several) reduced variables. The proposed method is illustrated in two studies. The first one addresses comatose patients; the second one compares young and elderly populations. The method sheds light on the differences between brain connectivity graphs using graph metrics and potential clinical interpretations of these differences.<br />Author Summary Human brain connectome studies aim to both explore healthy brains, and extract and analyze relevant features associated with pathologies of interest. Usually this consists of modeling the brain connectome as a graph and using graph metrics as features. A fine brain description requires graph metrics computation at the node level. Given the relatively reduced number of patients in standard cohorts, such data analysis problems fall in the high-dimension, low-sample-size framework. In this context, our goal is to provide a machine learning technique that exhibits flexibility, gives the investigator an understanding of the features and covariates, allows visualization and exploration, and yields insight into the data and the biological phenomena at stake. The retained approach is dimension reduction in a manifold learning methodology; the originality is that the investigator chooses one (or several) reduced variables. The proposed method is illustrated in two studies. The first one addresses comatose patients; the second one compares young and elderly populations. The method sheds light on the differences between brain connectivity graphs using graph metrics and potential clinical interpretations of these differences.

Details

ISSN :
24721751
Volume :
5
Database :
OpenAIRE
Journal :
Network Neuroscience
Accession number :
edsair.doi.dedup.....7afc594fbf1a1fea37187b541ef835d4
Full Text :
https://doi.org/10.1162/netn_a_00176